전력硏, 기존 대비 최대 4.6배 이상 에너지저장밀도 달성
국내 연구진이 주파수조정용 에너지저장장치(ESS)에 사용할 수 있는 대용량 원통형 그래핀 슈퍼커패시터 단위 셀 시작품 제작에 성공했다.
20일 한전 전력연구원은 비나텍(주), 한국과학기술연구원, 가천대학교와 공동으로 2016년부터 그래핀 슈퍼커패시터 핵심 요소기술과 실증용 모듈을 개발해왔다.
그래핀 슈퍼커패시터는 기존 슈퍼커패시터의 활성탄 전극 대신 비표면적이 큰 그래핀 전극을 사용하여 에너지밀도를 높인 차세대 에너지 저장장치이다.
전력연구원 관계자는 “그래핀은 탄소원자들이 벌집모양으로 연결되어 있는 단층 구조의 재료로 2004년 영국 맨체스터 대학에서 흑연에서 떼어내는데 성공했으며, 비표면적이 2630m2/g으로 활성탄의 1500m2/g에 비해 매우 크고 전기전도도와 기계적 강도 등도 크게 향상된 투명 재료”라고 설명했다.
또 슈퍼커패시터는 비표면적이 큰 활성탄 전극을 사용해 축전 에너지양을 크게 증가시킨 축전지의 한 종류로, 100C(power/energy) 이상의 고속 충방전 가능, 반영구적인 수명, 낮은 임피던스 등의 우수한 특성이 있지만 전력계통에서 에너지저장용으로 사용되기에는 상대적으로 낮은 에너지밀도를 갖는다.
이번에 전력연구원이 개발한 원통형 그래핀 슈퍼커패시터는 3000F(패럿, farad)의 대용량으로, 기존 활성탄 슈퍼커패시터에 비해 최대 4.6배 이상의 에너지밀도를 달성한 것. 셀 기준 에너지밀도가 18.5Wh/kg으로 기존 활성탄 슈퍼커패시터(4~5Wh/kg)에 비해 대폭 향상됐으며, 출력 밀도 1500W/kg 이상을 유지한다.
3000F의 원통형 셀은 ESS에 적용하기 위한 가장 기본이 되는 단위 셀로, 현재 이 셀 18개를 직렬로 연결하면 48V의 ESS 단위 모듈을 구성할 수 있다.
전력연구원은 3000F 원통형 셀을 활용해 ESS용 단위 모듈 시작품을 제작할 계획이며, 향후 2020년에는 1100V급 ESS를 제작하고 전력계통과 연계해 성능을 검증할 예정이다.
향후 그래핀 슈퍼커패시터는 고속 충방전이 가능하고 수명이 길어 현재 주파수 조정용 ESS에 사용되고 있는 리튬이온전지(LiB)와 병행 운전 시 ESS의 수명을 최대 1.5배까지 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
☞farad=전기용량의 단위로서, 1F은 1C의 전하를 주었을 때 전위가 1V가 되는 전기용량을 의미함